高速電主軸的結構設計與發展

張靜娟，胡 濱

（1.安陽斯普機械有限公司，河南 安陽 455000；2.安陽萊工科技有限公司，河南 安陽 455000）

高速電主軸的結構設計與發展

張靜娟1，胡 濱2

（1.安陽斯普機械有限公司，河南 安陽 455000；2.安陽萊工科技有限公司，河南 安陽 455000）

根據電主軸的結構特點和設計要求，通過分析其結構、電機技術、冷卻、潤滑等直接影響電主軸性能的各項指標，進行性能的分析和比較，提出了提高電主軸性能的主軸設計方案，為高速電主軸的快速發展提供參考.

電主軸；高速電主軸；結構設計

高速加工技術越來越受到機械制造領域的關注，為了能提高整體加工效率，降低零件加工成本，獲得較高加工精度和加工表面完整性，降低能耗、節省制造資源，有效抑制或減小切削振動，就必須使用超高速數控機床.高速電主軸單元作為高速機床的關鍵部件，其高轉速、高精度、高剛性、低噪音、低溫升、結構緊湊、易于平衡、安裝方便、傳動效率高等優點，使它在超高速切削機床上得到廣泛的應用［1］.

1 高速電主軸概述

高速電主軸最早是用于磨削機床加工，逐步發展到加工中心電主軸及其他各行業機床主軸.典型的磨削電主軸的結構如圖1所示，傳統的主軸一般是通過傳動帶、齒輪來進行傳動驅動，而電主軸的驅動是將異步電機直接裝入主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，以實現機床主軸系統的零傳動，形成“直接傳動主軸”.從而減少中間皮帶或者齒輪機械傳動等環節，實現了機械與電機一體的主軸單元.電主軸不但減少了中間環節存在的打滑、振動和噪音的因素，也加速了主軸在高速領域的快速發展，成為滿足高速切削，實現高速加工的最佳方案.

圖1 電主軸結構簡圖

2 高速電主軸的結構設計要求

高速電主軸要求具備很高的工作性能，因此對其結構的設計、材質、加工工藝和檢驗等方面都有非常嚴格的要求.電主軸設計時，需要確定主軸的總體性能參數、主軸的實際結構（根據軸承形式、配置、驅動方法、潤滑、等參數來確定）、主軸軸承的選型確認、軸承的壽命、主軸的剛度、危險速度、軸承游隙（預緊力）、主軸的尺寸（軸徑、長度、軸承支距等）和主軸實際安裝條件的要求等等因素.

2.1 電主軸的轉軸要求

轉軸是高速電主軸的主要零件之一，轉軸的材料一般是經過軋制或鍛造經切削加工的碳素鋼或合金鋼.它用來安裝各種傳動零件，使之繞其軸線轉動，傳遞轉矩或回轉運動，并通過軸承與主軸機架或機座相聯接.轉軸帶動工件或刀具旋轉，完成表面成型運動，承受切削和驅動等載荷的作用.因此，對軸有很高的技術要求，在設計時應滿足下列幾方面的要求：

(1)節約材料，減輕重量，在特殊情況下選用合適的具有耐腐蝕性和耐高溫性的材料；

(2)在結構上要受力合理、盡量避免或減少應力集中現象；

(3)提高足夠的強度（靜強度和疲勞強度）和剛度的結構措施；

(4)轉軸在高速時的振動穩定性及良好的加工工藝性，保證精度要求；

(5)易于各個零件在軸上精確定位、穩固、裝配、裝拆和調整方便.

圖2 轉軸結構簡圖

在一般情況下，轉軸結構設計成階梯形，將內裝的電機轉子部件與轉軸聯接在一起形成整體部件，如圖2所示.該轉軸部件最大的優點是前后軸承組件、電機轉子部件、平衡環均采用先進的感應加熱下套工藝方法進行組裝，無鍵槽的設計工藝方法，不但增加了轉軸的剛度，同時，通過平衡環調整轉軸整體動平衡量，最大限度地降低了轉軸在旋轉時由于偏心造成的振動和偏差.

2.2 電主軸的電動機技術

電主軸將機床主軸與電機合二為一，形成內裝式主軸驅動系統，是機床的核心關鍵部件之一，它不但要實現高速、高精度、高剛度等要求，還必須要實現連續工作時輸出的較大轉矩力和承受較寬領域的恒功率運轉范圍.尤其是在轉速要求較高且加減速操作頻繁的領域，如加工中心、銑鏜床、磨床、鉆床等領域.

交流主軸驅動系統根據電機類型分為感應電機電主軸驅動系統、永磁無刷同步電機主軸驅動系統以及開關磁阻電機主軸驅動系統.由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能（旋轉速度、輸出功率、動態剛度、振動抑制等），因此主軸的實際應用于選擇需要精密相關［2］.目前主要采用感應電機交流主軸驅動系統，主軸功率設計時，電機需滿足條件：（1）切削（實際工作）功率的要求；（2）主軸加減速時間所需功率要小于主軸電機的最大輸出功率；(3)主軸頻繁啟動、制動時，需要計算平均功率，該功率要小于主軸電機的連續額定輸出功率；（4）在要求時限表面恒線速切削的機床上，切削功率與恒線速所需功率之和應小于電機最大輸出功率.

內裝式主軸電機結構緊湊，簡化了機床的構造.因為轉子安裝在主軸上，降低了轉軸在旋轉時由于偏心造成的振動和偏差，而且獲得較短的起動時間和制動時間，恒功率調速范圍寬、噪聲小、維修簡單.但是，電機也是一個很大的發熱源，要控制電機的溫度，安裝時最好選用有水冷的水套結構最佳.

2.3 電主軸的軸承技術

軸承是高速電主軸的重要組成部分，它的類型、配置、精度對電主軸的工作性能、旋轉精度有著很大的影響.電主軸一般采用角接觸球軸承，主軸在高速旋轉時，離心力引起的內圈膨脹、球旋轉時離心力會引起內部負荷以及內外圈的溫度差等均會使軸承內部的球和內外圈滾道之間的接觸應力增大.而且，采用角接觸球軸承這樣有著接觸角的軸承，在旋轉中伴隨著自轉滑動和旋轉時的滑動等各種形式的滑動而產生滾動接觸，這些滑動隨著轉速增加而加大，因此接觸部分的發熱也會變大，特別是采用油脂潤滑的軸承，由于潤滑油的粘度下降，有時候甚至會出現缺少潤滑油膜而燒傷的情況.

高速電主軸軸承的選用要根據切削負荷大小、形式和轉速的要求，優先選用陶瓷觸球軸承.與鋼球軸承相比，陶瓷球軸承優點有：（1）鋼與陶瓷組成的陶瓷球軸承摩擦性能特好，能降低材料與潤滑劑的應力；（2）因密度較低，可降低運轉時的離心力；（3）較低的熱膨脹系數能有效的降低軸承預壓負荷的變化；（4）較高的彈性模數，使軸承的剛性更高.陶瓷球軸承在高速及重載的條件下，可獲得高剛度、低溫升和長壽命的效果，可以提高主軸的整體精度.

2.4 電主軸的預緊力技術

電主軸在選用軸承時，需要考慮機床主軸的剛度，固定在主軸上的軸承類似于彈簧的作用，主軸端部承受軸向負荷時，主軸的位移由固定軸承的軸向剛度來決定.當軸前端承受徑向負荷時，軸端位移應考慮軸的彎曲變形.單列角接觸球軸承接觸角愈大，承受軸向載荷的能力愈高，在承受徑向載荷時，同時產生軸向力，必須施加反向軸向力，所以，一般成對使用.當需要較大徑向剛度時，可使用圓柱滾子軸承與角接觸軸承配合安裝，軸向負荷由角接觸球軸承來承受.通常高速電主軸采用成對雙聯角接觸球軸承組合安裝，施加適當的預緊力，安裝后有預過盈，消除軸承中間的游隙，因此提高了載荷能力、剛度和旋轉精度，同時可以增加軸承的使用壽命，抑制軸的振動和異音，防止假性布氏壓痕現象和高速旋轉時滾動體的滑動現象產生等［3］.

機床主軸在工作時，為實現取得較高的剛度，一般對軸承加上預緊力，但是需要注意的是預緊力不可過大，否則將會引起軸承燒傷現象或剝落損壞.主軸的預緊方式一般包括：（1）定位預緊，即組合軸承的軸向相對位置在使用過程中不會改變.（2）定壓預緊，即通過圓柱彈簧、蝶形彈簧對軸承施加適當預緊的方法，在使用過程中即使軸承的相對位置發生變化，預緊量也能基本保持恒定.一般情況下，為提高主軸剛度時適合采用定位預緊，高速旋轉時適合采用定壓預緊的方法.

2.5 電主軸的潤滑技術

高加工精度的機床主軸，不是單純實現高速旋轉，而且要抑制溫度上升和減小熱變形.一般主軸的潤滑方式有：油脂潤滑、油霧潤滑、噴射潤滑和油氣潤滑.不同類型的電主軸，要根據具體的特性選用適合的潤滑方式.

一般情況下，油脂潤滑用于主軸高速運轉比較普遍，但是受到極限轉速的影響，填充適量的油脂時才能達到最高數值，油脂的填充量為軸承內部空間體積的10%～20%，填充太多，在進行初期運轉時會產生異常發熱，導致油脂劣化.在高速旋轉時為保持較低的運轉溫度，可使用供油量少的油霧或油氣潤滑方式，它可以延長使用壽命、減少摩擦損耗、降低溫升，并與密封裝置一起保護軸承不受外物的侵入和防止腐蝕.油霧潤滑是利用壓力使潤滑油霧化，再順著進油通道噴射到軸承的方法；而油氣潤滑是通過噴嘴定量、定時間歇性的噴射出微量的潤滑油，通過混合閥將其壓縮空氣中潤滑油慢慢引出，每套軸承都需要一條單獨的油路連續不斷的向軸承供油的方法.不同潤滑方式特性比較見表3［4］.

表3 各種潤滑方式的特性比較

2.7 電主軸的動平衡技術

高速機床的廣泛應用，加速了主軸對轉速的高要求.轉速的提高使機床主軸各零部件在加工制造過程中，首先對材質提出了的較高要求，包括轉軸毛胚是否有缺陷、材質是否均勻、形狀是否對稱及加工裝配是否有誤差等各個方面.電主軸的動平衡也是裝配前的關鍵環節，動平衡的高低直接影響主軸單元的噪聲、振動、發熱等性能標.通常在完成零部件加工后，轉軸首先需要做單體動平衡試驗，使轉軸不平衡離心力降到最小值，接著安裝上螺母等單體逐步進行動平衡試驗，待組裝后還要對整機進行動平衡試驗，通過數據顯示達到理想的動態性能，從而提高主軸整機系統的動態精度，延長軸承及整個主軸系統的壽命.

由于轉軸上附加的零件偏多，裝配前可能無法一一平衡，因此，必要時可做在線動平衡試驗.同時，為方便調整電主軸整機的平衡，通常應在轉軸前后螺母上預留數個平衡螺孔，以保證轉軸在高速運轉的平穩性［5］.

3 高速電主軸的發展

國內電主軸研究啟蒙階段為20世紀60年代，主要以內圓磨削為主體，多數為仿制技術.到20世紀70年代到80年代，隨著國內技術的發展，電主軸的廣泛應用，我國自行開發研制了高速電主軸，電機的功率也大大提高了30%左右，廣泛應用于磨削領域.到20世紀90年代以后，數控CNC技術的研發，大大推動了電主軸在機械領域的應用，銑削加工中心電主軸單元使電主軸越來越多的應用到高速雕銑行業中.21世紀以來，國內研制電主軸的技術得到快速發展，采用了先進的技術與加工方法，使電主軸具有高轉速、高精度、高剛性、低噪音、低溫升、結構緊湊、易于平衡、安裝方便、傳動效率高等優點，生產出適合各個行業領域的電主軸與機械主軸.

國外從事高速數控機床電主軸研發與生產的技術較早，著名的企業中尤以GMN公司、IBAG公司、Fanuc公司、Ingersoll公司、Okuma公司等幾家的技術水平代表了這個領域的世界先進水平.我國電主軸的設計制造技術與國外技術相比，無論是性能、品種和質量還有較大的差距.國外高性能電主軸有以下幾個特點：（1）主軸低速輸出扭矩大，轉速高；（2）采用高速、高剛度陶瓷球軸承和液體動靜壓軸承，潤滑方式采用油氣潤滑；（3）配套的控制系統，如交流伺服控制技術、自動平衡系統、潤滑控制系統、電機冷卻系統等方面［6］.

就國內來講，伴隨著機床技術、高速切削技術的發展與實際應用的需要，對機床電主軸的性能也提出了越來越高的要求.為使高速電主軸整體水平能盡快趕超世界先進水平，必須引進國外先進的制造加工設備，生產出高精度、高剛度的精密軸承與關鍵零部件；實現先進的平衡技術；實現高性能的主軸驅動、控制技術，實現精確定向技術、快速啟動、準停技術；先進的潤滑方式，使軸承的潤滑和冷卻實現最理想的狀態，從而提高主軸的壽命；開發研制新材料、新工藝技術和專用機床設備，滿足系列化、專業化的高端優質產品，滿足市場的需求.

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［1］張瑜勝.電主軸在數控機床中的應用［J］.機械管理開發，2011（1）：137-138.

［2］王麗梅，劉愛民，郭慶鼎.數控機床主軸驅動中的交流電機及其控制方法［J］.沈陽工業大學業報,1999，21（5）：417-420.

［3］張世珍，劉炳業，范晉偉，等.電主軸設計的幾個關鍵問題.制造技術與機床,2005（8）：50-53.

［4］欒景美，黃紅武，熊萬里，等.超高速電主軸結構綜述［J］.精密制造與自動化,2002（3）：4-9.

［5］張興軍，楊淑啟，韓龍義.高速精密電主軸的研制［J］.機電工程技術,2006，35（6）:43-44.

Structure design and development of high-speed electric spindle

ZHANG Jing-juan1,HU Bin2
(1.Anyang Sipu Machinery Co.,Ltd,Anyang 455000,Henan,China；2.Anyang Laigong Science&Technology Co,Ltd,Anyang 455000,Henan,China)

Based on the structural features and design requirements of electric spindle,the thesis evaluated and compared the performance of electric spindle by analyzing factors that directly affected it’s performance like it’s structure,electrical machinery technology,cooling,lubrication and so on,put forward design of the spindle to improve the it’s performance,provided reference for the rapid development of high-speed electric spindle.

high-speed；electric spindle；structure design；development

TH133.2

1007-5348（2013）08-0026-05

2013-06-11

張靜娟（1982-），女，河南安陽人，安陽斯普機械有限公司助理工程師，主要從事主軸方面的研究.

（E D.:X， J）